專利名稱：加熱爐爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線計算系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱軋技術領域中坯料的加熱爐熱處理工藝，尤其涉及加熱爐最優(yōu)控制領域及加熱爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線的計算方法。
背景技術：
加熱爐熱過程和爐內(nèi)坯料熱狀態(tài)數(shù)學模型已逐步被應用于加熱爐最佳設計和最優(yōu)控制技術中。對于加熱爐內(nèi)坯料在滿足目標出爐溫度的條件下，采用合理的加熱制度、最大限度降低爐子熱損耗及燃料消耗才能提高加熱爐的生產(chǎn)效率。目前加熱爐內(nèi)坯料的加熱制度主要是根據(jù)經(jīng)驗來確定，由所加熱坯料的特性來確定坯料的目標出爐溫度、在爐時間 及爐溫制度。對于自動化程度較高的加熱爐可以采用數(shù)學模型根據(jù)加熱坯料特性計算生成加熱制度，其核心是在加熱爐當前爐溫制度狀態(tài)下通過數(shù)學模型計算坯料的當前溫度與坯料加熱工藝給定的目標溫度之間的偏差，并通過該偏差對當前爐溫制度不斷修正，同時將修正后的爐溫制度作為加熱爐基礎儀表自動化系統(tǒng)的加熱溫度設定值，從而使爐內(nèi)坯料能夠按照加熱工藝完成在加熱爐內(nèi)的熱處理。而坯料的加熱工藝，又稱為坯料優(yōu)化加熱曲線，需要在該坯料入爐前給定，目前主要由技術人員根據(jù)生產(chǎn)及操作經(jīng)驗在原有加熱工藝基礎上手動干預，勞動強度大，且難以適應不同坯料的加熱工藝需求，精度及靈活性差。這樣將直接影響坯料入爐后加熱制度的制定，從而影響金屬的加熱質(zhì)量和加熱爐的生產(chǎn)效率，難以實現(xiàn)加熱爐最優(yōu)控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所解決的技術問題是針對上述問題提供一種計算加熱爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線的方法。該方法不受坯料尺寸規(guī)格的限制、計算精度及計算效率高，可以在坯料入爐前完成多塊坯料優(yōu)化加熱曲線的計算。利于加熱爐數(shù)學模型利用所述坯料優(yōu)化加熱曲線修正加熱制度，提高金屬的加熱質(zhì)量和加熱爐的生產(chǎn)效率，利于實現(xiàn)加熱爐最優(yōu)控制。本發(fā)明解決所述技術問題主要采取如下技術方案加熱爐爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線計算系統(tǒng)，包括坯料步進及位置跟蹤模塊，對坯料進行步進操作并返回當前位置；坯料溫度跟蹤模塊，對加熱爐內(nèi)坯料的內(nèi)部溫度場進行跟蹤；加熱爐爐溫制度修正模塊，根據(jù)溫度參數(shù)，對爐溫制度進行修正；燃料消耗量計算模塊，對于滿足目標出爐溫度的坯料用積分替代目標函數(shù)來表征其從入爐至出爐整個加熱過程的燃料消耗量多少；上述各模塊依次相連。所述的系統(tǒng),還包括還料參數(shù)初始化模塊,初始化待入爐還料幾何參數(shù)及物性參數(shù)；加熱爐爐溫制度設定模塊，對加熱爐的相關參數(shù)進行初始化；計時器，計時并判斷是否達到步進或溫度跟蹤周期。所述的系統(tǒng)的計算方法，包括
SI)調(diào)用坯料參數(shù)初始化模塊，初始化待入爐坯料幾何參數(shù)及物性參數(shù)；同時，給定坯料入爐前溫度；S2)調(diào)用加熱爐爐溫制度設定模塊，初始化加熱爐相關參數(shù)；S3)計時器計時并判斷時間是否達到加熱爐步進周期，如果未達到加熱爐步進周期，則計時器繼續(xù)計時；如果達到加熱爐步進周期，則執(zhí)行坯料步進模塊，按照加熱爐的步進周期仿真坯料在加熱爐內(nèi)的步進動作，并實現(xiàn)對爐內(nèi)坯料位置的實時預報；S4)計時器繼續(xù)計時并判斷時間是否達到坯料溫度跟蹤周期，如果未達到坯料溫度跟蹤周期，則計時器繼續(xù)計時；如果達到坯料溫度跟蹤周期，則執(zhí)行坯料溫度跟蹤模塊，對不同尺寸規(guī)格的坯料在加熱爐內(nèi)不同在爐時間、不同爐內(nèi)位置的內(nèi)部溫度場進行跟蹤；S5)根據(jù)坯料位置跟蹤模塊返回的坯料當前位置數(shù)據(jù)來判斷坯料是否步進至出爐位置，如果坯料尚未步進至出爐位置，則回到步驟S3;如果坯料已步進至出爐位置，則進入下一步；S6)計算坯料的溫度參數(shù)，包括坯料出爐溫度及出爐時坯料斷面溫差，與坯料目標值出爐溫度進行比較，如果不在目標出爐溫度允許范圍內(nèi)，則調(diào)用加熱爐爐溫制度修正模塊，對原爐溫進行修正，然后返回到步驟S2;如果在目標值允許范圍內(nèi)，則對坯料從入爐到出爐的溫升進行擬合形成坯料優(yōu)化加熱曲線，然后調(diào)用燃料消耗量計算模塊，對于滿足目標出爐溫度的坯料用積分替代目標函數(shù)來表征其從入爐至出爐整個加熱過程的燃料消耗量多少；S7)判斷坯料優(yōu)化加熱曲線計算次數(shù)是否達到設定的計算次數(shù)，如果沒有達到，則坯料優(yōu)化加熱曲線計算次數(shù)加1，然后調(diào)用加熱爐爐溫制度修正模塊，對爐溫進行修正，然后返回到步驟S2 ;如果達到設定的計算次數(shù)，則輸出坯料優(yōu)化加熱曲線。所述的方法，步驟SI中，坯料幾何參數(shù)包括坯料長度和厚度；坯料物性參數(shù)包括坯料密度、比熱容、導熱系數(shù)和黑度。所述的方法，步驟S2中，加熱爐相關參數(shù)包括加熱爐出鋼周期、加熱爐步進節(jié)奏、加熱爐各爐段長度、加熱爐總爐長、加熱爐各爐段熱電偶分布以及加熱爐各爐段上、下爐膛初始爐溫設定值。所述的方法，步驟S3中，通過下式控制坯料步進L = L-d式中，L為坯料距離加熱爐出口爐門的距離，d為加熱爐步進梁一個步進周期的步
進距離。所述的方法，步驟S4執(zhí)行坯料溫度跟蹤模塊的具體方法包括首先，根據(jù)當期爐溫制度，采用總括熱吸收率法確定坯料上、下表面熱流，其計算式為
權利要求
1.加熱爐爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線計算系統(tǒng)，其特征在于包括坯料步進及位置跟蹤模塊，對坯料進行步進操作并返回當前位置；坯料溫度跟蹤模塊，對加熱爐內(nèi)坯料的內(nèi)部溫度場進行跟蹤；加熱爐爐溫制度修正模塊，根據(jù)溫度參數(shù)，對爐溫制度進行修正；燃料消耗量計算模塊，對于滿足目標出爐溫度的坯料用積分替代目標函數(shù)來表征其從入爐至出爐整個加熱過程的燃料消耗量多少；上述各模塊依次相連。
2.根據(jù)權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于還包括坯料參數(shù)初始化模塊，初始化待入爐坯料幾何參數(shù)及物性參數(shù)；加熱爐爐溫制度設定模塊，對加熱爐的相關參數(shù)進行初始化； 計時器，計時并判斷是否達到步進或溫度跟蹤周期。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的系統(tǒng)的計算方法，其特征在于，包括51)調(diào)用坯料參數(shù)初始化模塊，初始化待入爐坯料幾何參數(shù)及物性參數(shù)；同時，給定坯料入爐溫度；52)調(diào)用加熱爐爐溫制度設定模塊，初始化加熱爐相關參數(shù)；53)計時器計時并判斷時間是否達到加熱爐步進周期，如果未達到加熱爐步進周期，則計時器繼續(xù)計時；如果達到加熱爐步進周期，則執(zhí)行坯料步進模塊，按照加熱爐的步進周期仿真坯料在加熱爐內(nèi)的步進動作，并實現(xiàn)對爐內(nèi)坯料位置的實時預報；54)計時器繼續(xù)計時并判斷時間是否達到坯料溫度跟蹤周期，如果未達到坯料溫度跟蹤周期，則計時器繼續(xù)計時；如果達到坯料溫度跟蹤周期，則執(zhí)行坯料溫度跟蹤模塊，對不同尺寸規(guī)格的坯料在加熱爐內(nèi)不同在爐時間、不同爐內(nèi)位置的內(nèi)部溫度場進行跟蹤；55)根據(jù)坯料位置跟蹤模塊返回的坯料當前位置數(shù)據(jù)來判斷坯料是否步進至出爐位置，如果坯料尚未步進至出爐位置，則回到步驟S3 ;如果坯料已步進至出爐位置，則進入下一步;56)計算坯料的溫度參數(shù)，包括坯料出爐溫度及出爐時坯料斷面溫差，與坯料目標值出爐溫度進行比較，如果不在目標出爐溫度允許范圍內(nèi)，則調(diào)用加熱爐爐溫制度修正模塊，對原爐溫進行修正，然后返回到步驟S2;如果在目標值允許范圍內(nèi)，則對坯料從入爐到出爐的溫升進行擬合形成坯料優(yōu)化加熱曲線，然后調(diào)用燃料消耗量計算模塊，對于滿足目標出爐溫度的坯料用積分替代目標函數(shù)來表征其從入爐至出爐整個加熱過程的燃料消耗量多少；57)判斷坯料優(yōu)化加熱曲線計算次數(shù)是否達到設定的計算次數(shù)，如果沒有達到，則坯料優(yōu)化加熱曲線計算次數(shù)加1，然后調(diào)用加熱爐爐溫制度修正模塊，對爐溫進行修正，然后返回到步驟S2 ;如果達到設定的計算次數(shù)，則輸出坯料優(yōu)化加熱曲線。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟SI中，坯料幾何參數(shù)包括坯料長度和厚度；坯料物性參數(shù)包括坯料密度、比熱容、導熱系數(shù)和黑度。
5.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟S2中，加熱爐相關參數(shù)包括加熱爐出鋼周期、加熱爐步進節(jié)奏、加熱爐各爐段長度、加熱爐總爐長、加熱爐各爐段熱電偶分布以及加熱爐各爐段上、下爐膛初始爐溫設定值。
6.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟S3中，通過下式控制坯料步進L = L-d式中，L為坯料距離加熱爐出口爐門的距離，d為加熱爐步進梁一個步進周期的步進距離。
7.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于步驟S4執(zhí)行坯料溫度跟蹤模塊的具體方法包括首先，根據(jù)當期爐溫制度，采用總括熱吸收率法確定坯料上、下表面熱流，其計算式為
8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，熱裝坯料厚度方向的溫度分布函數(shù)T (y) 按照下述方法確定將坯料沿厚度方向進行劃分，則從坯料下表面開始第i個節(jié)點的T(y)值為(1)1=0TcharNode (土) ^Surf(2)i = I (N-1)/2TcharNode (i) = ~4. 62 1+0. 0 1 762 · h + 1. 014 · Tsurf+O· 0 1387 · Δ h · i (0° C 彡 Tsurf 彡 350。C)TcharNode(i) = ~89. 8+0. 1979 *h+l. 122 *TSurf+0. 157 · Ah *i (350。C < Tsurf ^ 700° C) T CharNode (i) = -387. 5+0. 7166 · h + 1. 345 · TSurf+0. 6436 · Ah · i (700 ° C < Tsurf 彡 1050° C)TcharNode (i) = _5 2 6 · 6+0 · 5 3 6 3 · h+0 · 5191 · Tsurf+0 · 5 O O 4 · Λ h · i (1050 ° C < Tsurf 彡 1400° C)(3) i = (N-1)/2+1 N-1TcharNode ⑴= ^CharNode (j) (j = N-l-1)式中，N為沿坯料厚度方向等間距劃分的節(jié)點數(shù)目，N為奇數(shù)，Taa_Ji)為坯料入爐時內(nèi)部第i個節(jié)點的溫度，Tsurf為坯料入爐時檢測的表面溫度，Ah為坯料相鄰兩節(jié)點間的厚度，i = O表示還料下表面的節(jié)點，i = N-1表示還料上表面的節(jié)點。
9.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S6對爐溫制度進行修正的方法包括按以下公式進行修正式中,2; T；r 分別為進行第η次爐溫制度修正時加熱爐第i爐段上、下爐膛的爐 UJpuj、w分別為對第η次爐溫制度修正后的加熱爐第i爐段上、下爐膛的爐溫，并作為第n+2次爐溫制度修正的初始值，cu、Cb為與爐溫制度有效修正次數(shù)相關的系數(shù)，C1 u,1、C1 b,i分別為第i爐段的爐溫制度修正因子，C2彳、c2—b,i分別為第i爐段坯料升溫速率修正因子，ΔΤ為還料出爐溫度與目標出爐溫度的偏差，Tmscharge為還料的目標出爐溫度,-Ji露1為坯料在第i爐段升溫速率的相對偏差。
10.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，步驟S6調(diào)用燃料消耗量計算模塊的方法為計算坯料升溫曲線與坯料在爐時間圍成的面積，記為Area (η-1)，第一次計算的坯料升溫曲線與在爐時間圍成的面積，記為Area(O)，最后一次計算的坯料升溫曲線與在爐時間圍成的面積記為Area(N-1)，從Area(i)中選出數(shù)值最小的一個，并將此次計算的坯料升溫曲線作為該坯料的優(yōu)化加熱曲線，其中，i = 0、1、. . .、N-1。
全文摘要
一種計算加熱爐內(nèi)坯料優(yōu)化加熱曲線的方法，主要通過對坯料的位置跟蹤及溫度跟蹤實現(xiàn)其在加熱爐內(nèi)的步進及加熱。并綜合考慮坯料出爐溫度與目標溫度的偏差及坯料的升溫速率對原爐溫制度進行修正，用修正后的爐溫制度重新對坯料進行加熱。對于滿足出爐溫度的坯料，以積分替代目標函數(shù)來表征本次加熱燃耗的大小。完成指定次數(shù)的優(yōu)化計算后，從中選出積分替代目標函數(shù)值最小的一個，并將其對應的坯料升溫曲線作為該尺寸規(guī)格坯料的優(yōu)化加熱曲線。該方法可以在坯料入爐前完成多塊坯料優(yōu)化加熱曲線的計算，計算效率高。利于加熱爐數(shù)學模型利用所計算的坯料優(yōu)化加熱曲線修正加熱制度，提高金屬的加熱質(zhì)量和加熱爐的生產(chǎn)效率，利于實現(xiàn)加熱爐最優(yōu)控制。
文檔編號C21D9/70GK102994731SQ20121050750
公開日2013年3月27日 申請日期2012年11月30日 優(yōu)先權日2012年11月30日
發(fā)明者段廣東, 楊進, 李衛(wèi)杰, 王曉亮 申請人:中冶南方(武漢)威仕工業(yè)爐有限公司